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        軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)

        2012-07-13 08:53:56韓強任盛偉戴鵬王登陽譚松
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2012年1期
        關(guān)鍵詞:模式識別檢測系統(tǒng)

        ■ 韓強 任盛偉 戴鵬 王登陽 譚松

        隨著既有線提速和高速鐵路的陸續(xù)建設(shè),動車組高速運行對鐵路各項基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修提出了更高要求。軌道作為重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施,其運用狀態(tài)對行車安全具有直接和至關(guān)重要的影響。因此,必須加強對其動態(tài)檢測和狀態(tài)監(jiān)控,及時指導養(yǎng)護維修。軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)基于非接觸測量理念,應用視覺測量、圖像處理、模式識別等技術(shù),對軌道圖像信息進行采集、分析和綜合處理,其高效、智能的特點能滿足高速鐵路巡檢的需求。

        1 系統(tǒng)功能、組成和原理

        1.1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標

        系統(tǒng)運用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識別、自動控制和同步觸發(fā)等技術(shù),對鋼軌表面及兩側(cè)狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進行記錄和分析。主要技術(shù)指標包括:(1)鋼軌表面擦傷檢測精度:橫向2 mm,縱向3 mm;(2)鋼軌扣件:扣件缺失識別率80%以上。

        1.2 系統(tǒng)組成與原理

        圖1為軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成。

        軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)主要由視覺子系統(tǒng)、圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)組成。圖像存儲方式(存儲圖像的大文件設(shè)計)是圖像采集存儲子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)相互聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié),圖像識別算法是圖像處理子系統(tǒng)的技術(shù)核心。

        視覺子系統(tǒng)安裝于車下車體兩側(cè)鋼軌正上方位置,每側(cè)采用LEVD光源提供高亮度的漫反射光學環(huán)境,應用3個高速線陣CCD進行掃描成像,運用自動控制和同步觸發(fā)技術(shù),將圖像數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)綀D像采集存儲子系統(tǒng)。

        圖像采集存儲子系統(tǒng)應用高速緩存和多線程控制技術(shù),實現(xiàn)大流量圖像數(shù)據(jù)高速存儲,并運用自主研發(fā)的大文件存儲技術(shù)進行圖像數(shù)據(jù)管理。

        圖像處理子系統(tǒng)主要應用圖像處理和模式識別技術(shù),開發(fā)適用于鐵路環(huán)境的鋼軌表面擦傷檢測和扣件缺失檢測的識別算法,通過大量數(shù)據(jù)訓練學習完成工程化實現(xiàn)。

        1.3 軟件結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計通過大文件數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)管理機制,將圖像信息采集、自動識別、人工復核確認、報表編輯打印等功能流程按邏輯關(guān)系組合成軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖2,操作界面見圖3。

        系統(tǒng)通過設(shè)計大容量數(shù)據(jù)存儲機制將圖像數(shù)據(jù)以大文件形式存儲到計算機硬盤。存儲前對圖像進行壓縮,將單次采集任務(wù)存儲為自定義數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件同時支持多任務(wù)讀寫訪問,并能保證連續(xù)穩(wěn)定存儲數(shù)百公里檢測里程的數(shù)據(jù)文件。

        圖1 軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成

        軌道巡檢要求能在一個檢測周期內(nèi)完整存儲軌道圖像數(shù)據(jù)。由于圖像數(shù)據(jù)容量巨大,利用單體大文件存儲技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)壓縮后存儲到一個單體大文件內(nèi),并通過引入緩存機制建立同時支持讀寫的數(shù)據(jù)訪問機制。

        結(jié)合圖像處理、模式識別等技術(shù),根據(jù)現(xiàn)場圖像特點,開發(fā)適用于軌道巡檢的圖像數(shù)據(jù)瀏覽和編輯軟件,為用戶提供對圖像數(shù)據(jù)進行標識、檢索的功能,并具有對鋼軌表面擦傷、扣件缺失等缺陷進行自動識別的功能。

        1.4 典型缺陷識別

        軌道巡檢系統(tǒng)具有對典型軌道缺陷進行自動識別的功能。在模式識別算法的設(shè)計上借鑒了“機器視覺”在人臉識別、指紋識別及醫(yī)學圖像分析等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗,設(shè)計了機器學習模型和模式識別算法,對軌道圖像中鋼軌表面擦傷、扣件缺失(折斷、缺失)等相關(guān)典型特征進行自動識別。機器識別功能整體架構(gòu)見圖4。

        模式識別功能模塊在整套系統(tǒng)中擔負著對軌道典型缺陷進行輔助診斷的功能,目前采用軟件識別為主、人工確認為輔的應用模式。

        2 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗和應用

        軌道狀態(tài)巡檢系統(tǒng)在鄭西高速鐵路、京廣線上下行(鄭州南—武漢)、武廣高速鐵路上下行進行5 000 km線路試驗。

        2011年9月24日,系統(tǒng)在京滬高速鐵路及先導段進行巡檢。系統(tǒng)設(shè)備在鋼軌探傷車最高80 km/h速度下,全天候不同天氣情況下工作狀態(tài)正常,采集到的圖像清晰完整,典型數(shù)據(jù)見圖5—圖8。

        圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

        圖3 系統(tǒng)軟件界面

        圖4 機器識別功能整體架構(gòu)

        圖5 鄭西下行(KM623+816)焊筋(輔助探傷排除干擾)

        圖6 武廣(KM2237+822)扣件缺失

        圖7 武廣(KM2235+462)扣件缺失

        圖8 京滬高速鐵路巡檢結(jié)果

        3 結(jié)論

        系統(tǒng)運用CCD掃描成像、圖像處理、數(shù)據(jù)管理、模式識別、自動控制和同步觸發(fā)等技術(shù),實現(xiàn)了鋼軌表面擦傷檢測和扣件缺失檢測的功能。系統(tǒng)已在鐵道部檢測中心鋼軌探傷車上安裝運用,試驗驗證和現(xiàn)場應用表明,系統(tǒng)圖像采集穩(wěn)定、清晰,多相機對鋼軌正面和兩側(cè)掃描,采集到的圖像能清晰看到焊筋和鋼軌表面狀態(tài),輔助超聲探傷系統(tǒng)提高系統(tǒng)識別率。識別軟件具有自動識別扣件丟失、錯位和鋼軌表面擦傷等功能。

        [1]王慶有. CCD應用技術(shù)[M]. 天津:天津大學出版社,2000

        [2]馮其波. 光學測量技術(shù)與應用[M]. 北京:北京交通大學出版社,2008

        [3]荊仁杰. 計算機圖像處理[M]. 杭州:浙江大學出版社,1990

        [4]章毓晉. 圖像處理和分析[M]. 北京:清華大學出版社,1999

        [5]徐建華. 圖像處理與分析[M]. 北京:科學出版社,1992

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